小型酶免分析仪的设计与实现

周昕宇　尚志武

摘 要 针对现我国大部分医用生化检测装置是大型生化分析仪而小型生化检测装置还未普及的情况，通过仪器机构创新设计使得检测装置在保证检测精度前提下尽可能缩减体积成本。整机包括移液与试剂条模块、吸排模块、温度自保持模块、光电检测模块。

关键词 酶免分析 光电检测 结构设计 自动化

0引言

小型酶免分析仪是一种生化分析仪，最初是根据免疫酶技术发展兴起的。在上世纪七十年代，酶免疫系统得到发展。1971年，瑞典学者Perlmannn和Engvail以及荷兰学者Schuurs和VanWeerman各自报道提出把免疫技术发展成为检测体液中微量物质的固相免疫测定方法，也被叫作酶联免疫吸附试验——ELISA（Enzyme Linked Immunosorbent Assay）。

1全自主小型酶免分析儀设计研发

1.1移液与试剂条模块

移液模块主要辅助吸排模块进行垂直运动从而接触到试剂条酶液面完成提取液体任务。通过分析工作原理，只需在垂直方向保证吸排模块与反应酶液体精准接触并在吸取完成后快速响应上升至设定高度。试剂条模块是在仪器开始工作前，试剂条被送到移液模块下部，从而吸排模块能够顺利完成取液。

移液模块在垂直方向是个单自由度运动，常通过步进或伺服电机与传统系统配合完成，模块运动距离短，速度低，传动精度高，所以用丝杠传动。同时选用导轨滑台，有良好刚度，保证取液精度要求，再通过有伺服电机相配合的滚珠丝杠与导轨滑台完成垂直移动及取液工作。（如图1）试剂条模块只有水平运动，此过程不仅跨度大还要处于平稳状态。模块上有取针、取酶及测试区三个精确限位，分别根据试剂条上标记酶区、废液区和检测区来确定，在电机以及传动系统方面采用步进电机配合软尺条。

1.2吸排模块

吸排模块包括样品精确提取、移动和注入及吸头取退。吸排不仅吸取的液体体积一定，操作过程平稳还要具备密封性好、量程可调及洗涤功能。在设计吸排模块时需要解决以下问题，往复速率可控、液面检测吸排定位准确和密封精度良好。通过搜查筛选发现自动注射器解决问题反应良好，针对不同体积吸取要求只需设计出相应量程的结构即可。为让方案易于实现，控制简易不失精度，便由控制器改变脉冲信号来控制步进电机转速，继而带动丝杠转动，丝杠上固连了柱塞以控制吸排注射筒体积大小。吸排体积大小的控制则由液面传感器检测到信号后传给控制器再由控制器控制电机转速实现。

1.3温度自保持模块

在对酶等元素实际检测中，为避免标记酶及待测样本活性对结果产生干涉，保证精度，在采用固体式干浴方法基础上创新设计了U型槽加热（如图3）。固体式干浴采用导热性能好的铜铝对试剂条直接加热，简单有效，另外U型槽在稳定温度，保温方面表现优异，至此恒温系统得以将反应仓温度始终控制在37？.2℃。

此恒温系统采用温度模糊自适应控制系统，温度模糊控制系统是利用模糊数算法对仪器工作环境的模拟进行温度调控，动态响应快，调节时间短。基于以上优点的温度模糊自适应控制系统更有好的控制鲁棒性，抗干扰力及对复杂或难以建立数学模型的对象很好的控制效果。

1.4光电检测模块

此模块负责对反应底物检测，根据朗伯比尔定律，在单一光源照射下，溶液吸光度、浓度和溶液层厚度的乘积成正比，通过计算可得到物质浓度，其计算公式为：A=ln = %^bc其中，A为吸光度，I0为入射光强，I为透射光强度， %^为摩尔吸光系数，b为溶液浓度，C为溶液厚度，通过微计算机计算结果，然后与正常指标对比。

检测系统方面设计了一款基于光谱分析仪的新光路检测系统，由光源、光路系统以及核心的光谱分析仪三部分组成。光谱分析仪对应的检测器是电荷耦合元件——线阵CCD，其像元及像元中心距小的特点使得整体检测灵敏度与精度都很高。此外通过在光源进入反应池之后再进行光栅分光这种设计，不仅简化了机构，而且检测与反应两个过程的分离让分光元件不再处于潮湿的环境，提升了仪器整体生命周期及检测精度。

2结论

本文基于仪器工作需求及实验原理设计出小型全自动酶免分析仪整体结构部分。文章中体现出来的结构设计较简单，但在设计过程中综合考虑了各部分的运动轨迹，尽量避免互相之间的干涉保证整体稳定性。

在试验中经过两小时左右的检测，精度已初步达到判定病情要求。但尚存在检测范围较窄和稳定性不足两个问题，具体表现在系统对反应底物吸光度计算误差较大和仪器受振动影响检测结果，未来会在光电检测算法以及提高系统刚度优化结构方面继续研究。

参考文献

[1] 任重，刘国栋.一种高性价比小型生化分析仪用分光光度计的研制[J].激光与光电子进展.2014；51：112202

[2] 杨立国.酶免疫测定技术.南京大学出版社.1998.7